Sistem bus
PENDAHULUAN
Bus merupakan lintasan komunikasi yang menghubungkan dua atau lebih perangkat. Bus merupakan media transmisi yang dapat digunakan bersama. Sejumlah perangkat yang terhubung ke bus, dan suatu signal yang ditransmisikan oleh salah satu perangkat ini dapat diterima oleh salah satu perangkat yang terhubung ke bus. Bila dua buah perangkat melakukan transmisi dalam waktu yang bersamaa, maka signal-signalnya akan bertumpang tindih dan menjadi rusak.
Umumnya sebuah bus terdiri dari sejumlah lintasan komunikasi atau saluran. Masing-masing saluran dapat mentransimisikan signal yang menunjukkan biner 1 dan biner 0. Serangkaian digit biner dapat ditransmisikan melalui saluran tunggal. Dengan mengumpulkannya beberapa saluran dari sebuah bus dapat digunakan mentransmisikan digit biner secara bersamaan (secara paralel). Misalnya sebuah satuan data 8 bit dapat ditransmisikan melalui bus 8 saluran.
Bus terdiri dari 3:
1. Bus Data
Saluran yang memberikan lintasan bagi perpindahan data antara dua modul system. Umumnya bus data terdiri dari 8, 16, 32 saluran, jumlah saluran dikaitkan dengan lebar bus data. Karena pada suatu saat tertentu masing-masing saluran hanya dapat membawa 1 bit, maka jumlah saluran menentukan jumlah bit yang dapat diindahkan pada suatu saat. Lebar bus data merupakan factor penting dalam menentukan kinerja system secara keseluruahan. Bila bus data lebarnya 8 bit, dan setiap instruksi panjangnya 16 bit, maka CPU harus 2 kali mengakses modul memori dalam setiap siklus instruksinya.
2. Bus Alamat
Digunakan untuk menandakan sumber atau tujuan data pada bus data, misalnya CPU akan membaca sebuah word (8, 16, 32 bit) data dari memori, maka CPU akan menaruh alamat word yang dimaksud pada saluran alamat. Lebar bus alamat menentukan kapasitas memori maksimum sitem. Selain itu umumnya saluran alamt juga digunakan untuk mengalamati port-port I/O.
3. Bus Kontrol
Digunakan untuk mengontrol akses ke saluran alamat, penggunaan data dan saluran alamat. Karena data dan saluran alamat digunakan bersama oleh seluruh komponen, maka harus ada alat untuk mengontrol penggunaannya. Signal-signal kontrol melakukan transmisi baik perintah mauun informasi pewaktuan diantra modul-modul system. Signal-signal pewaktuan menunjukkan validitas data dan informasi alamat.
Umumnya saluran kontrol meliputi :
Memory Write : menyebabkan data pada bus akan dituliskan ke dalam lokasi alamat. Memory Read : menyebabkan data dari lokasi alamat ditempatkan pada bus I/O Write : menyebabkan data pada bus di output kan ke port I/O yang beralamat. I/O Read : menyebabkan data dari port I/O yang beralamat ditempatkan pada bus. Transfer ACK : menunjukkan bahwa data telah diterima dari bus atau telah ditempatkan di bus. Interrupt Request : menandakan bahwa sebuah interrupt ditangguhkan. Interrupt ACK : memberitahukan bahwa interrupt yang ditangguhkan telah diketahui. Clock : digunakan untuk mensinkronkan operasi-operasi. Reset : menginisialisasi seluruh modul
OPERASI BUS
Bila sebuah modul akan mengirimkan data ke modul lainnya, maka modul itu harus melakukan dua hal : 1. memperoleh enggunaan bus, dan 2 memindahkan data melalui bus. Bila sebuah modul akan meminta data dari modul lainnya, maka modul itu harus 1 memperoleh penggunaan bus, dan 2 memindahkan sebuah request ke modul lainya melalui saluran kontrol dan saluran alamt yang sesuai. Kemudian modul harus menunggu modul kedua untuk mengirimkan data.
Bentuk phisik Bus.
Bus system merupakan sejumlah konduktor listrik parallel. Konduktor-konduktor ini berupa kawat logam yang berakhir pada kartu atau papan PCB. Bus melintasi seluruh komponen system yang masing-masing disambungkan ke beberapa atau semua saluran bus.
Masalah dalam Bus Tunggal/ Single
Bila perangkat yang berjumlah sangat banyak dihubungkan ke bus, maka akan terjadi penurunan kinerja. Penyebab utama :
Semakin banyak perangkat yang dihubungkan ke bus, semakin besar delay propagasinya. Delay ini menentukan waktu yang diperlukan perangkat untuk mengkoordinasi pengguna bus
Bus akan menjadi penyumbat dengan semakin besarnya perindahan data yang hamper mendekati kapasitas bus. Sampai tingkat tertentu, masalah ini dapat diatasi dengan memakai bus-bus yang lebih lebar. (misalnya meningkatkan bus data dari 32 menjadi 64 bit) Namun karena kelajuan data disebabkan oleh perangkat-perangkat yang terhubung (misalnya pengontrol grafis dan video, interface jaringan) berkembang dengan cepatm maka dalam perlombaan ini besar kemungkinan bus tunggal akan menderita kekalahan.
Bus local yang menghubungkan prosesor dengan cache memory dan bus local dapat mendukung sebuah perangkat local atau lebih. Pengontrol cache memory tidak hanya menghubungkan cache dengan bus local itu saja, namun juga dengan bus system yang terhubung dengan seluruh modul memory utama. Manfaat struktur cache melindungi prosesor dari keharusan seringnya mengakses memori utama, sehingga memori utama dapat dipindahkan dari bus local ke bus sitem. Dengan cara ini, transfer I/O ke memori utama dan transfer dari memoriutama yang melintasi bus system tidak mengganggu aktivitas prosesor.
Sangat mungkin untuk menghubungkan pengontrol I/O secara langsung dengan bus system. Penyelesaian yang lebih efisien untuk masalah ini adalah dengan memanfaatkan satu bus ekspansi atau lebih. Interface bus ekspansi mem-buffer-kan transfer data antara bus system dengan pengontrol I/O pada bus ekspansi.
Contoh : Perangkat I/O yang dapat disambungkan ke bus ekspansi. Koneksi jaringan meliputi LAN misalnya koneksi Ethernet 10 Mbps dan koneksi ke WAN seperti jaringan paket switching, SCSI (Small Computer System Interface) merupakan jenis bus yang digunakan untuk mendukung disk drive local dan peripheral lainnya. Sebuah serial port dapat dipakai untuk mendukung sebuah printer atau scanner.
Arsitektur bus tradisional cukup efisien namun mulai mengalami penurunan dengan semakin tingginya kinerja pada perangkat I/O.
Untuk menjawab meningkatnya kebutuhan ini, penyelesaianya membuat bus berkecepatan tinggi yang sangat terintegrasi dengan system, yang hanya memerlukan bridge antara bus prosesor dengan bus berkecepatan tinggi.
Keuntungan pengaturan bus berkecepatan tinggi menyebabkan perangkat yang berkapasitas besar menjadi lebih terintegrasi dengan prosesor dan sekaligus tidak tergantung lagi terhadap prosesor.
Jenis-jenis Bus
Dedicated : Saluran data dan alamat terpisah
Multiplexed : Alamat dan informasi data dapat ditransmisikan melalui sejumlah saluran yang sama dengan menggunakan saluran ?Address Valid Control?. Pada awal pemindahan data, alamat ditempatkan pada bus dan ?Address Valid Control? diaktifkan. Pada saat ini setiap modul memiliki periode waktu tertentu untuk menalin alamt dan menentukan apakah alamat tersebut merupakan modul beralamat. Kemudian alamat dihapus dari bus, dan koneksi bus yang sam adigunakan untuk transfer data pembacaan atau penulisan berikutnya. Metoda penggunaan saluran yang untuk berbagai keperlua ini dikenal sebagai time multiplexing
Keuntungan : hanya memerlukan saluran sedikit sehingga menghemat ruang dan biaya
Kerugiannya : diperlukan rangkain yang lebih kompleks , penurunan kinerja yang cukup besar
Bus Arbitrasi :
Didalam semua system kecuali system yang paling sederhana, lebih dari satu modul diperlukan untuk mengontrol bus. Misalnya I/O mungkin diperlukan untuk membaca atau menulis secara langsung ke memori, dengan tanpa mengirimkan data ke CPU. Karena pada satu sat hanya sebuah unit yang berhasil mentransmisikan data melalui bus, maka diperlukan beberapa metode arbitrasi.
Metode Arbitrasi digolongkan sebagai metode tersentralisasi dan metode terdistribusi.
Tersentralisasi : sebuah perangkat hardware yang dikenal sebagai pengontrol bus atau arbitrer bertanggung jawab atas alokasi waktu pada bus. Mungkin perangkat berbentuk modul atau bagian CPU yang terpisah
Terdistribusi : tidak terdapat pengontrol sentral, setiap modul terdiri dari acces control logic dan modul-modul bekerja sama untuk memakai bus bersama-sama
Timing
Timing berkaitan dengan cara terjadiya event dikoordinasikan pada bus. Dengan timing yang synchronous, terjadinya event pada bus ditentukan oleh sebuah clock. Bus meliputi sebuah saluran, waktu tempat timing mentransmisikan rangkaian bilangan 1 dan 0 dalam durasi yang sama. Sebuah transmisi 1-0 dikenal sebagai siklus waktu atau siklus bus dan menentukan besarnya slot waktu. Semua perangkat lainnya pada bus dapat membaca saluran waktu, dan semua event dimulai pada awal siklus waktu.
Timing Sinkron
Signal bus lainya dapat berubah pada ujung muka signal waktu (dengan sedikit reaksi delay). Sebagian besar event mengisi suatu siklus waktu. CPU mengeluarkan signal baca dan menempatkan alamat memori pada bus alamat, CPU mengeluarkan signal awal untuk menandai keberadaan alamat dan informasi control pada bus. Modul memori mengetahui alamat itu, dan setelah delay 1 siklus menempatkan data dan signal balasan pada bus.
Timing Asinkron
Terjadinya event pada bus mengikuti dan tergantung pada event sebelumnya. CPU menempatkan alamat dan membaca signal bus. Setelah berhenti untuk memberi kesempatan signal ini menjadi stabil, CPU mengeluarkan signal MSYN (master syn) yang menandakan keberadaan alamat yang valid dan signal control. Modul memori memberikan respons dengan data dan signal SSYN (slave syn) yang menunjukan respon
Timing sinkron lebih mudah untuk diimplementasikan dan ditest. Namun timing ini kurang flexible dibandingkan dengan timing asinkron. Karena semua perangkat pada bus sinkron terkait dengan kelajuan pewaktu yang tetap, maka system tidak dapat memanfaatkan peningkatan kinerja. Dengan menggunakan timing asinkron, campuran antara perangkat yang lamban dan cepat, baik dengan menggunakan teknologi lama maupun baru, dapat menggunakan bus secara bersama-sama.
Lebar Bus
Lebar bus dapat mempengaruhi kinerja system, semakin lebar bus data, semakin besar bit yang dapat ditransferkan pada suatu saat. Lebar bus alamat mempunyai pengaruh pada kapasitas system : semakin lebar bus alamat, semakin besar range lokasi yang dapat direferensi.
PCI
Pheripheral Component Interconnect (PCI) merupakan bus yang tidak tergantung prosessor berbandwidth tinggi yang dapat berfungsi sebagai bus peripheral atau bus mezzanine. PCI memberikan system yang lebih baik bagi subsistem I/O berkecepatan tinggi.. PCI dirancang untuk mendukung bermacam-macam konfigurasi berbasis microprocessor, baik system microprocessor tunggal maupun jamak. PCI memanfaatkan timing sinkron dan pola arbitrasi tersentralisasi..
PCI Saluran Bus.
Signal-signal ini dibagi menjadi kelompok-kelompok :
System pins: meliputi pin waktu dan reset
Address dan data : meliputi 32 saluran yang time multiplexed bagi alamat dan data. Saluran lainya untuk menginterpretasi dan mevalidasi saluran-saluran signal yang membawa alamat dan data
Interface Control: Mengontrol timing transaksi dan mengkoordinasikan antara inisiator dan target
Arbitration: Masing-masing master PCI memiliki pasangan saluran arbitrasinya sendiri yang menghubungkannya secara langsung dengan arbiter bus PCI
Error repots : Melaporkan error parity dan eror lainnya.
PCI saluran bus
Interupt pins : Saluran signal ini disediakan bagi perangkat-perangkat PCI yang harus menghasilkan request untuk layanan. Pin-pin ini pun bukan saluran yang dapat dipakai bersama, melainkan masing-masing PCI memilih saluran interrupt ke pengontrol interrupt
Cache Support : Diperlukan untuk mendukung memori pada PCI yang dapat di cache kan di dalam prosesor
64 bit Bus Extension : Meliputi 32 saluran yang merupakan time-multiplexed bagi alamat dan data dan dikombinasikan dengan saluran alamat/data untuk membentuk bus alamat/data 64 bit. Saluran lainnya di dalam kelompok ini digunakan untuk menginterpretasi dan memvalidasi saluran-saluran signal yang membawa alamat dan data. Terakhir terdapat dua saluran yang memungkinkan dua buah perangkat PCI untuk menyetujui penggunaan kemampuan 64 bit
JTAG/Boundary Scan : Saluran signal untuk pengujian prosedur-prosedur yang ditentukan dalam standard 149.1.IEEE.
Operasi Baca PCI
Sekali master bus telah memperoleh control bus, maka master bus akan memulai transaksi dengan menegaskan FRAME. Saluran ini akan tetap ditegaskan sampai inisiator siap untuk menyelesaikan fase data yang terakhir. Inisiator juga menaruh alamat awal pada bus alamat, dan membaca perintah pada saluran C/BE
Pada awal waktu ke-2, perangkat target akan mengetahui alamatnya di saluran AD
Inisiator berhenti mengendalikan bus AD. Siklus balik (yang ditandai oleh dua buah panah sikular) diperlukan pada semua saluran signal yang akan dikendalikan oleh lebih dari sebuah perangkat, sehingga penurunan signal alamat akan mempersiapkan bus untuk dipakai oleh perangkat target. Inisiator mengubah informasi pada saluran C/BE untuk memilih saluran AD yang akan digunakan untuk melakukan transfer data beralamat (dari 1 hingga 4 bit). Inisiator juga menegaskan IRDY untuk menandakan bahwa dirinya siap untuk butir data pertama.
Target yang terpilih menunjuk DEVSEL untuk menunjukkan bahwa target telah mengetahui alamatnya dan akan memberikan respon. Target yang terpilih menempatkan data yang diminta pada saluran AD dan menegaskan TRDY untuk mengindikasikan bahwa data yang valid terdapat pada bus
Inisiator membaca data pada awal waktu ke-4 dan mengubah salurah enable byte begitu diperlukan dalam persiapan pembacaan berikutnya
Dalam contoh ini, target membutuhkan beberapa saat untuk mempersiapkan blok kedua untuk transmisi. Karena itu target melepaskan TRDY untuk memberi signal kepada inisiator bahwa tidak akan terdapat data baru selama siklus berikutnya. Kemudian inisiator tidak akan membaca saluran data pada awal siklus waktu ke-5 dan tidak mengubah byte enable selama siklus itu. Blok data dibaca pada awal waktu ke-6.
Selama waktu ke-6, target menempatkan butir data ketiga pada bus. Namun dalam contoh ini, inisiator belum siap untuk membaca butir data (misalnya inisiator mempunyai kondisi penuh buffer sementara). Karena itu inisiator melepaskan IRDY. Hal ini akan menyebabkan target untuk menyediakan butir data ketiga pada bus siklus waktu tambahan
Inisiator mengetahui bahwa transfer data ketiga adalah terakhir, karena itu inisiator melepaskan FRAME untuk memberikan signal bahwa dirinya siap untuk menyelesaikan transfer tersebut.
Inisiator melepaskan IRDY, yang mengembalikan bus ke keadaan idle, dan target melepaskan TRDY dan DEVSEL
Arbitrasi PCI antara 2 master
Pada saat titik sebelum awal waktu ke-1, A telah menegaskan signal REQ-nya. Arbiter men-sample signal ini pada awal siklus waktu ke-1
Selama siklus waktu ke-1, B membuat request untuk menggunakan bus dengan menegaskan signal REQ-nya
Pada saat yang sama, arbiter menegaskan GNT-A untuk memberikan hak akses bus kepada A
Master bus A men-sample GNT-A pada awal waktu ke-2 dan memeriksa apakah dirinya telah diberi hak mengakses bus. Master bus juga menemukan pelepasaran IRDY dan TRDY yang menandakan bahwa bus tersebut dalam keadaan idle. Setelah itu, master bus menegaskan FRAME dan menempatkan informasi alamat pada bus alamat dan perintah pada bus C/BE (tidak ditunjukkan). Master bus juga melanjutkan penegasan REQ-A, karena master bus memiliki transaksi kedua yang akan dibentuk setelah transaksi ini
Arbiter bus men-sample semua saluran GNT pada awal waktu ke 3 dan membuat keputusan arbitrasi untuk memberikan hak mengakses bus ke B pada transaksi berikutnya. Kemudian arbiter bus menegaskan GNT-B dan melepaskan GNT-A. B tidak akan dapat menggunakan bus hingga bus itu dikembalikan ke keadaan idle.
A melepaskan FRAME untuk menandakan bahwa transfer data terakhir (dan satu-satunya) sedang dilakukan. A menaruh data pada bus data dan memberi signal ke target dengan IRDY. Target membaca data pada awal siklus waktu berikutnya
Pada awal waktu ke-5 menemukan IRDY dan FRAME yang dilepaskan dank arena itu B dapat melakukan control terhadap bus dengan menegaskan FRAME. B juga melepaskn saluran REQ-nya karena B hanya perlu membentuk satu transaksi saja.
